3 8. Плазменные, электронно-лучевые, электрошлаковые установки для плавления металла. Плавильные электрические печи сопротивления.

Рис. 1. Подовая плазменнодуговая печь: 1— плазматрон; 2 — электрод; 3 — отверстие с крышкой.

Работа плазменных печей (установок плазменного нагрева) основана на использовании газоразрядной плазмы в качестве теплоносителя. Достаточная электрическая проводимость плазмы обеспечивает преобразование электрической энергии в тепловую за счет токов проводимости Iпр. подводимых через электроды (кондукционный способ) или возбуждаемых переменным электромагнитным полем (индукционный способ). Поскольку формирование плазмы связано с эндотермическими процессами диссоциации и ионизации газов, плазма характеризуется достаточно высоким энергосодержанием, позволяющим использовать её в энергоёмких пирометаллургических процессах, в том числе для плавки высоколегированных сталей и сплавов, прямого восстановления металлов из руд и получения ферросплавов.

Плазмотрон - устройство для преобразования электрической энергии источника питания в тепловую энергию струи (потока) плазмы, т.е. плазменный генератор. В зависимости от способа преобразования электрической энергии в тепловую различают плазмотроны: дуговые, индукционные (высокочастотные) и электронные (сверхвысокочастотные).

Н аибольшее распространение получили дуговые плазматроны, в которых возможно достижение температуры плазмы порядка 10000 К путём сжатия столба дуги стенками канала (гидродинамическое сжатие), газовым потоком (аэродинамическое сжатие) или внешним магнитным полем (электромагнитное сжатие). Для получения дугового разряда можно применить как постоянный, так и переменный ток. Стремясь получить стабильную работу плазматрона, чаще всего используют постоянный ток во избежании обрыва дуги при переменном токе. Различают плазматроны с независимой дугой (косвенного действия) и с зависимой дугой (прямого действия). Выбор схемы работы плазмотрона зависит от назначения печи и необходимых требований по эффективности её работы.

Рисунок – Схема электрошлакового переплава:

а - с одним расходуемым электродом; б - с двумя; 1- расходуемый электрод; 2 - шлаковая ванна; 3 - металлическая ванна; 4- слиток

Электрошлаковый переплав (ЭШП) является вторичным процессом рафинирования металлов. Он применяется для дальнейшей очистки после завершения первичных операций по удалению примесей и рафинированию. В качестве исходного материала обычно применяется сплошной расходуемый электрод из первичного металла, который может быть литым, полученным обработкой давлением или состоящим из лома. Шлаковая ванна, содержащаяся в охлаждаемом кристаллизаторе, нагревается и расплавляется электрическим током (электро­сопротивлением), текущим между электродом и охлаждаемым поддоном (рис. 1).Когда температура шлаковой ванны превышает температуру плавления металла, электрод начинает оплавляться; капли, стекающие с конца электрода, падают в шлаковую ванну, образуя на поддоне металлическую ванну, которая постепенно затвердевает. Электрод подают в шлаковую ванну, при этом слиток, служащий вторым электродом, постепенно растет.

Жидкий шлак таким образом непрерывно перемещается кверху. Там, где поднимающийся шлак встречается со стенками охлаждаемого кристаллизатора, он за­твердевает, что обеспечивает наличие сплошной короч­ки твердого шлака между кристаллизатором и затвердевающим слитком. При раздевании слитка она шелу­шится с поверхности, характеризующейся прекрасным качеством.

Процесс во многом аналогичен вакуумно-дуговому переплаву (ВДП): сплошной слиток образуется в результате постепенного затвердевания металла в верти­кальном направлении. При соответствующем снижении силы тока к концу операции обеспечивается полное отсутствие усадочной раковины и осевой пористости.

Рафинирование осуществляется вследствие реакции между металлом и шлаком, происходящей в три стадии:

а) при образовании капли на конце электрода;

б) при прохождении отдельной капли через шлак;

в) после накопления жидкого металла в ванне, образующейся на верхней части слитка.

При соответствующем выборе шлаков химическая реакция может быть усилена. Возможно, например, снижение содержания серы до очень низкого уровня. Удалению неметаллических включений может способствовать их флотация и химическая реакция со шлаком. Шлаки могут быть подобраны также таким образом, чтобы воспрепятствовать удалению элементов, которые нужно сохранить.